毕业设计（论文）-PLC恒压供水控制系统设计.doc

毕 业 论 文 正 文 第1页 摘 要建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。根据小区用水时间集中，用水量变化较大的特点，分析了小区原供水系统存在成本高，可靠性低，水资源浪费，管网系统待完善的问题。提出以利用自来水水压供水与水泵提水相结合的方式，并配以变频器、PLC、压力传感器、液位传感器等不同功能等传感器，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。从而可以解决因楼层太高导致压力不足及小流量时能耗大的问题。该双恒压供水控制系统是以PLC控制为核心， 变频调速技术为基础， 并结合压力传感器、变频器、水泵、继电器、接触器等成。在此系统中，PLC将压力设定值与测量值的偏差经PID运算后得到的控制量作用到变频器，从而通过变频器控制水泵的转速调节管网的力， 实现恒压供水的目的。关键词:恒压供水；变频调速；PID调节；PLC控制 哈尔滨职业技术学院印制目 录绪 论1一、PLC的简介2（一）PLC的产生和发展历史21.PLC的产生22.PLC的发展历史23.PLC的应用领域64.PLC的应用特点75.PLC应用中需要注意的问题86.主要抗干扰措施9二、工艺过程及控制要求11(一)系统工艺流程11(二)系统控制要求12三、硬件设计13(一)控制系统的I/O点及地址分配13(二)PLC的选型14(三)电气控制系统原理图151.主电路图152.控制电路图153.PLC外围接线图15四、系统软件设计20结 论37参考文献38致 谢39毕 业 论 文 正 文 第39页绪 论变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水障碍；另一方面要求保证供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能够可靠供水。针对这两方面的要求，新的供水方式和控制系统应运而生，这就是PLC 控制的恒压无塔供水系统。恒压供水包括生活用水的恒压控制和消防用水的恒压控制既双恒压系统。恒压供水保证了供水的质量，以PLC 为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。一、PLC的简介（一）PLC的产生和发展历史1.PLC的产生可编程程序逻辑控制器PLC产生于1969年，最初只具备逻辑控制、定时、记数等功能，主要是用来取代继电接触器控制。PLC是计算机技术与继电接触器控制技术相结合的产物，它采用了计算机存储器存储程序和顺序执行的原理；但其编程语言采用直观的类似的继电接触器控制电路的梯形图语言。现在所说的可编程序控制器，它采用中央处理单元CPU（Central Processing Unit）,不但继承了PLC原有的功能，而且具有更为强大的功能，指令系统丰富，程序结构灵活，通用性和适应性强，可以用来实现复杂的控制。它是目前工业自动化应用最广的控制设备。2.PLC的发展历史在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。为了使各位初学者更方便地了解PLC，本文对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介。（1）PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，Programmable Controller（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。（2） PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置.（3） CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。(4) I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。(5) 电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）.(6) PLC系统的其它设备a)编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。b)人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。c)输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。3PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：(1) 开关量逻辑控制取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2) 工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。(3) 运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。(4) 数据处理PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(5) 通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。4. PLC的应用特点(1) 可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统将极高的可靠性。(2) 配套齐全，功能完善，适用性强发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 (3) 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。(4) 系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。5 PLC应用中需要注意的问题PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备，一般不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。然而，尽管有如上所述的可靠性较高，抗干扰能力较强，但当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行，要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。因此在使用中应注意以下问题：1)温度PLC要求环境温度在055oC，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。2)湿度为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。3)震动应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为1055Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。4)空气避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。5)电源PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。一般PLC都有直流24V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。6. 主要抗干扰措施（1） 电源的合理处理，抑制电网引入的干扰对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为1:1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接LC滤波电路。（2） 安装与布线a)动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双胶线连接。将PLC的IO线和大功率线分开走线，如必须在同一线槽内，分开捆扎交流线、直流线，若条件允许，分槽走线最好，这不仅能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到最低限度。b) PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。在柜内PLC应远离动力线（二者之间距离应大于200mm）。与PLC装在同一个柜子内的电感性负载，如功率较大的继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路。c) PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。d)交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。（3） I/O端的接线输入接线 a)输入接线一般不要太长。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。b)输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开。c)尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。 输出连接 d)输出端接线分为独立输出和公共输出。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。e)由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板。 f)采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时应合理选择，或加隔离继电器。 g)PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。二、工艺过程及控制要求(一)系统工艺流程随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水障碍；另一方面要求保证供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能够可靠供水。针对这两方面的要求，新的供水方式和控制系统应运而生，这就是PLC 控制的恒压无塔供水系统。恒压供水包括生活用水的恒压控制和消防用水的恒压控制既双恒压系统。恒压供水保证了供水的质量，以PLC 为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。下面以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程。如图2-1所示，市网来水用高低水位控制器EQ 来控制注水阀YV1，它们自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。水池的高/低位信号也直接送给PLC，作为低水位报警用。为了保证水的连续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很大。生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2 处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活供水在恒压状态（生活用水低恒压值）下进行；当有水灾发生时，电磁阀YV2 得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高压恒压值）下进行。火灾结束后，三台再改为生活供水使用。图2-1 生活/消防双恒压供水系统工艺流程图(二)系统控制要求对三泵生活/消防双供水系统的基本要求是：l 1.生活供水时，系统应低恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行。l 2.三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则接入和退出在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免一台泵工作时间过长。l 3.三台泵在启动时要有软启动功能。l 4.要有完善的报警功能。l 5.对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。三、硬件设计(一)控制系统的I/O点及地址分配控制系统的输入/输出信号的名称、代码、及地址编号如表4 所列。水位上下限信号分别为I0.1,I0.2，它们在水淹没时为0，露出时为1。输入输出点代码和地址编号输入信号地址编号名称代码手动和自动消防信号SA1I0.0水池水位下限信号SLLI0.1水池水位上限信号SLHI0.2变频器警报信号SuI0.3消铃按钮SB9I0.4试灯按钮SB10I0.5远程压力表模拟量电压值UpAIW01#泵工频运行接触器及指示灯KM1,HL1Q0.01#泵变频运行接触器及指示灯KM2,HL2Q0.12#泵工频运行接触器及指示灯KM3,HL3Q0.22#泵变频运行接触器及指示灯KM4,HL4Q0.33#泵工频运行接触器及指示灯KM5,HL5Q0.43#泵变频运行接触器及指示灯KM6,HL6Q0.5生活/消防供水转换电磁阀YV2Q1.0水池水位下限报警指示灯HL7Q1.1变频器故障报警指示灯HL8Q1.2火灾报警指示灯HL9Q1.3报警电铃HAQ1.4变频器频率复位控制KA(EMG)Q1.5控制变频器频率电压信号VFAQW0(二)PLC的选型从上面分析可以知道，系统共有开关量输入点6 个、开关量输出点12 个；模拟量输入点一个、模拟量输出点1 个。如果选用CPU224PLC，也需要扩展单元；如果选用CPU226PLC，则价格较高，浪费较大。参考西门子S7200 产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU222一台，加上一台扩展模块EM222，再扩展一个模拟量模块EM235（4AI/1AO）。这样的配置是最经济的。整个PLC 系统的配置如图3-1所示:图3-1 PLC控制系统组成(三). 电气控制系统原理图1.主电路图图3-2所示为电控系统主电路.三台电动机分别为M1、M2、M3接触器KM1,KM3,KM5分别为控制M1,M2,M3的工频运行;接触器KM2、KM4、KM6、分别控制M1,M2,M3的变频运行,FR1、 FR2 、FR3分别为三台水泵电动机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4、分别为变频器和三台水泵电动机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器，VVVF为简单的一般变频器。2.控制电路图图3-3所示为电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置时为手动控制状态；打在2位置时自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1SB8控制三台泵的起停和电磁阀YV2的通断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。图中的HL10为自动状态电源指示灯。对变频器频率进行复位时只提供一个干触点信号，由于PLC的4个输出点为一组，共用一个COM端，而本系统有没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复频控制。图中的Q0.0Q0.5及Q1.0Q1.5为PLC的输出继电器触点，它们旁边的4、6、8等数字为接线编号，可结合图一起读图。3.PLC外围接线图图3-4所示为PLC及扩展模块外围接线图。火灾时，火灾信号SA1被触动，I0.0为在实际使用时还必须考虑许多其他因素，这些因素主要包括：1）直流电源的容量。2）电源方面的抗干扰措施。3）输出方面的保护措施。4）系统保护措施。图3-2 电控系统主电路图3-3 电控系统控制电路图3-4 恒压供水控制系统PLC及扩展模块外围接线四、系统软件设计根据系统要求可以画出系统的程序流程图。如图所示：本程序分为三部分：主程序、子程序和中断程序。逻辑运算及报警处理等放在主程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID 控制的定时采样及输出控制。生活供水时系统设定值为满量程的70%，消防供水时系统设定值为满量程的90%。在本系统中，只是用比例（P）和积分（I）控制，其回路增益和时间常数可通过工程计算初步确定但还需要进一步调整以达到最优控制效果。初步确定的增益和时间常数为增益 KC=0.25采样时间 Ts=0.2积分时间 Ti=30min程序中使用的PLC 元器件及其功能如表所示程序中使用的元件及功能器件地址功能器件地址功能VD100过程变量标准化值T38工频泵减泵滤波时间控制VD104压力给定值T39工频/变频转换逻辑控制VD108PI 计算值M0.0故障结束脉冲信号VD112比例系数M0.1泵变频启动脉冲VD116采样时间M0.3倒泵变频启动脉冲VD120积分时间M0.4复位当前变频运行泵脉冲VD124微分时间M0.5当前泵工频运行启动脉冲VD204变频器运行频率下限值M0.6新泵变频启动脉冲VD208生活供水变频器运行频率上限值M2.0泵工频/变频转换逻辑控制VD212消防供水变频器运行频率上限值M2.1泵工频/变频转换逻辑控制VD250PI 调节结果存储单元M2.2泵工频/变频转换逻辑控制VB300变频工作泵的泵号M3.0故障信号汇总VB301工频运行的泵的总台数M3.1水池水位下限故障逻辑VD310倒泵时间存储器M3.2水池水位下限故障消铃逻辑T33工频/变频转换逻辑控制M3.3变频器故障消铃逻辑T34工频/变频转换逻辑控制M3.4火灾消铃逻辑T37工频泵增泵滤波时间控制双恒压供水系统的梯形图程序及程序注释如下图所示。对该程序有几点说明：1）因为程序较长，所以读图时请按网络标号的顺序进行。2）本程序的控制逻辑设计针对的是较少的泵数的供水系统。3）本程序不是最优的设计。4)本程序已做过了最大的简化，不能作为实际使用的程序。双恒压供水系统梯形图程序（主程序）双恒压供水系统梯形图